基于隱式參數化正向建模的車身概念設計方法研究

黃炎 蘇松松 馮明松

上汽通用五菱汽車股份有限公司 廣西柳州市 545007

1 引言

傳統的開發流程，CAE分析在車身設計流程中介入較晚，且主要是驗證分析的作用，無法充分利用CAE分析手段進行優化設計。而在前期概念設計階段，工程師可以有很大的設計空間尋求多種設計方案，從中篩選出最好的結構，此時引入仿真技術來指導工程師的設計決策將會帶來革命性的進步[1]。如果能在概念階段就進行大量的CAE分析，就可以早發現問題，早解決問題，從而極大程度的提高研發效率和質量，保證后期研發的順利進行，有效降低研發成本。

在概念階段，設計部門所能給出的設計參數十分有限，也許只有造型面、參考車型和總布置參數等少量信息。傳統的方法中，要等CAD部門設計出完整的數模，CAE才能建立有限元模型，再進行分析，所提出的優化方案也須先做出CAD數據才能進行CAE校核。這樣循環往復不僅耗費大量人力物力，更是大大延長了研發周期。

因此，必須采用參數化建模的方法，在前期有限的輸入下，直接建立有限元模型。本文中采用的軟件是SFE Concept[2]（以下簡稱SFE），設計團隊可以利用SFE軟件參數化的特點，快速建立概念車身模型，并能自動劃分有限元網格。從而及時掌握概念模型的性能，優化方案也能直接校驗，使得設計更加高效、合理，真正實現“分析驅動設計”。

2 理論與工具方法

2.1 隱式參數化技術

傳統的參數化技術不是利用諸如多項式等數學描述方式直接進行創建和修改，而是由一系列抽象的參數形成。幾何體之間的關系只可通過線性方程組來描述，這稱為“顯式”參數化。這樣很難實現對復雜裝配總成如白車身等結構進行設計[3]。

而本文采用的隱式參數化技術中，單個模型幾何形狀有3種類型參數控制：控制點位置、線曲率和截面形狀。通過映射關系建立零件之間的參數化裝配關系。因為所有參數在邏輯上相互關聯，所以每一個參數的改變都會使它周邊與之關聯的參數發生相應變化[4]。

隱式參數化技術根據車身結構初始狀態的有限元模型或幾何模型，建立幾何結構一致的參數化模型，該模型有兩個功能：第一，模型結構具有全參數化功能，集合結構的位置、尺寸和形狀等可任意改變，能記錄改變的過程并保存為設計變量；第二，幾何結構發生改變的參數化模型可以產生集合結構相同并滿足網格質量要求的有限元模型，基于上述功能，隱式參數化技術成為車身結構設計優化的有力工具。而目前常用的morphing技術，只能通過調整控制點來修改幾何形狀，不能自動修改網格的數量、質量和拓撲關系，容易導致局部網格扭曲而質量變差，嚴重時甚至無法運算[5]。

2.2 參數化正向建模的必要性

在白車身前期概念設計階段，由于有大量的數據不能確定，沒有完整的CAD模型，無法進行精確的性能仿真分析。既不能掌握車身的具體性能參數，又無法針對薄弱區域做優化提升。所以在傳統個設計流程中，概念設計階段主要依靠經驗判斷和簡化模型（如利用網格變形技術）進行粗略評估，計算精度較差。導致概念設計階段廣闊的設計空間無法發揮。

而采用參數化正向建模方法，只要有造型、截面等少數參數，就可以在缺少詳細CAD數據的概念設計階段也能建立可靠精確的有限元分析模型。這樣不僅在設計初期就能分析校核，了解性能，還可以進行多學科優化，充分展現概念階段的設計可能性。

使用參數化模塊化方法描述車身拓撲結構，將復雜的車身結構以斷面、梁、接頭和自由曲面等形式模塊化體現出來。換句話說，就是通過簡單的幾何拓撲結構描述了復雜的車身結構，大大縮短了建模的時間，減少了建模難度。同時，SFE建模可以自動生成帶焊點等連接信息的有限元模型，直接用于CAE分析優化。

2.3 開發效率分析

在概念階段高效建立參數化模型的關鍵是CAD和CAE兩部門協同配合，既要CAD部門提供最新的設計思路和參考結構，又要CAE運用豐富的優化經驗建立精確而簡潔的模型。在獲得基礎模型之后的優化工作也需要緊跟實際可行設計方向去開展。

相較于傳統的車身開發流程，使用參數化正向建模方法可以提前3個月得到白車身模型和剛度、模態分析數據，提前2個半月得到碰撞分析數據。詳細開發流程對比如圖1所示。

由圖1可看出，SFE平臺開發流程較傳統開發流程，CAE部門介入提前約4個月，設計部門與CAE分析部門可提前4個月得到概念車身模型的分析數據，更好的進行設計工作。

2.4 參數化正向建模開發流程

使用SFE軟件能正向建立CAD/CAE一體化的參數化模型，該模型作為前期車。

身概念開發的平臺，圍繞該平臺可以進行各類優化分析工作。詳細開發流程如圖2所示。

3 參數化正向建模方法

參數化正向建模整體可劃分為三大部分。第一部分為正向建模數據準備，包括參考車型的CAE數據、總布置參數、造型面、截面數據等；第二部分為SFE參數化建模；第三部分為模型調試檢查，保證模型無穿透干涉或其它錯誤，可進行有限元分析優化。流程如圖3所示。

3.1 正向建模的必要輸入

SFE模型建立需要必要的輸入，輸入可以是參考模型的CAE數據（推薦）、CAD數據、總布置數據等。詳細的數據輸入可提高建模效率。

（1）參考模型CAE/CAD模型

圖1 開發流程對比

圖2 開發流程

建議使用參考模型的CAE數據進行建模。參考模型可以是上一代車型的有限元數據，也可以是對標車型數據。

（2）造型數據（CAS）

造型數據是參數化正向建模必須滿足的硬性約束，優先級最高。如在建模過程中發現數據沖突，則以造型數據為準。

（3）截面數據

根據截面數據可以較為精確的確認車身主要結構位置。通過截面可以初步判斷相關接頭的搭接形式，可進行接頭建模。

（4）工況加載

CAE計算所需要的文件數據（如加載，約束，材料及厚度）等。建議將計算所需要的文件數據單獨編制控制卡片進行計算。

3.2 正向建立參數化模型技巧

（1）由于介入車身開發的時間較早，可能無法獲得較為詳細的數據，所以建模時優先采用較為明確的數據，不確定的數據可以簡化。先按照優先分析的性能要求建模，其他性能相關的附屬結構可先省略，待需分析該性能時逐步添加。

（2）提前規劃模型的設計空間，以便的后續結構優化，避免結構更改造成模型穿透。

（3）由于SFE模型具有模塊化的特點，在正向建模的過程中可以參考已有的SFE模型，進行修改后直接使用。如圖4所示，可調用企業內部數據。有條件可以建立一個模塊化數據庫，將多種車身按不同級別整理進數據庫中。建模時就可以最大程度利用相同或相似結構的模塊，再將更改其中不同的結構，這樣可大大節約建模時間[6]。

4 應用案例

4.1 某MPV車型前期正向建模

以國內某款自主研發的MPV新車型為例，在前期概念階段根據車身總布置參數、造型面和上車體截面數據為約束，分別從兩款不同參考車型取出上下車體進行拼裝。

下車體選用的參考車型是同平臺的SUV下車體，結構較為相似。上車體則是

上車體建模時，由于結構尺寸有一定差異，所以先按照參考模型建出各個梁結構，再根據造型面和截面數據放置到合適的位置，把基礎框架確定好。然后再根據具體的梁結構去各個接頭，拼接完整。D柱下接頭建模時一定要提前考慮與下車體的搭接形式，否則可能無法拼接。上下車體完成后再總拼就可以得到完整的白車身了。

4.2 模型初始性能

總拼完成之后，加載剛度、模態工況，計算出模型的初始性能。

4.3 多性能優化輕量化

（1）拓撲優化

以建好的參數化模型結構為基礎，建立邊長為20的四邊形有限元拓撲網格模型。加載彎曲、扭轉、后扭、正碰、側碰等多種工況，分別計算單一工況和綜合工況的拓撲模型，尋找有效的傳力路徑，解析出有效方案。

圖3 正向建模流程

圖4 數據庫模塊調用

圖5 正向建模輸入

圖6 先建梁再建接頭

（2）截面尺寸優化

使用Isight平臺搭建DOE試驗流程，分析上車體關鍵截面對剛度、模態和重量的敏感度。增大對性能敏感的截面，減小對重量敏感的截面，在提升性能的同時，也考慮輕量化的優化。

(3）零件厚度優化

使用Genesis軟件基于彎扭剛度和模態對車身零件厚度進行優化，以輕量化為主要控制目標，少數性能提升關鍵零件厚度也可以提高。

(4）細節優化

通過基于彎扭剛度和模態的自由尺寸優化和2D拓撲優化，對零件做一些開孔、局部形貌、翻邊的優化方案，以改善連接性能、減輕重量。

4.4 優化前后性能對比分析

通過多學科優化后，各項性能幾乎都有大幅度提高，而質量僅增加0.5%，效果明顯。

4.5 參數化模型分析可靠性對比

車身部門采用優化后的結構建立了CAD模型，CAE再按照傳統方法建立有限元模型分析校核，結果與參數化模型的參數非常接近，可靠性很高。說明參數化模型可用于校核與指導概念設計階段的相關工作。

5 結語

（1）在車身開發概念設計階段進行參數化正向建模，及早介入CAE優化手段，將大大提高研發效率，更有效的開發出高性能、輕質量的車身。

（2）通過拓撲優化、截面尺寸優化、零件厚度優化、細節優化等多輪優化分析，提升扭轉剛度12.6%、彎曲剛度14.1%、尾門框模態6.3%、一階彎曲模態1.4%、一階扭轉模態4.4%，而白車身質量僅增加了1.7Kg，而且結果可靠性很高。

（3）圍繞參數化正向建模的設計開發流程高效結合了CAD與CAE的工作，在CAE優化得同時參與到結構設計中，而在車身設計時也能及時的了解白車身的性能。從而使得設計更加高效、合理，真正實現“分析驅動設計”。

表1 模型初始性能

圖8 零件厚度優化

表2 截面尺寸優化列表

圖9 前排座椅橫梁局部自由尺寸優化結果及工程解析

圖10 流水槽和前排橫梁開孔

表3 優化前后性能對比

表4 模型可靠性對比